2016年3月15日火曜日

手回し直流発電機と充電カー

直流モーターを発電機として使用し
発電した電気を電気二重層コンデンサに充電してから 車を走らせる実験です。
発電機は市販のギアボックスを使用し、
モーターシャフトを速く回転させることで出力電圧が高くなります。
充電用に使用した電気二重層コンデンサは
二次電池に比べ充放電を短時間で行えるので
35分間充電させると、約2分間車を走らせることが出来ます。



まず、手回し直流発電機を作ります。

エコモーターギアボックス(TAMIYA 楽しい工作シリーズ№203)
ギア比 38.2:1 で組み立てます。
直流モーターに電池を接続すると、モーター軸が回転しますが、
逆にモーター軸を回転させると、発電することを利用するものです。

このギアボックスにはソーラーモーターがついています。
普通の小型モーターがついたギアボックスをギア比38.21 程度で組むと
発生電圧が低く、充電できません。
ギア比を上げると、発生電圧は高くなりますが
ギアが壊れやすいので要注意です。

付属のクランクプレートを使って、手回しハンドルを作ります。
木製アイス棒を7~8cmに切断し
ドリル刃3mmを使って3ケ所に穴を開けます。

 ③
アイス棒をクランクプレートにネジで固定し、
ハンドルとしてM3×40~50mm程度のネジを取り付けます。
回しやすいように、ネジには4mmφのストローを通しておきます。
ネジの端の方をワッシャーとナットでアイス棒を挟むようにしっかり固定します。

これをギアボックスのシャフトに差し込みます。 
下の写真のように差し込んだ場合は、
手回しハンドルを時計回りに回転させると充電できます。
反対側のシャフトに差し込んだ場合は
反時計回りに回転させると充電できます。

このままでは回しにくいので、持ち手を取りつけます。
内径28mmの筒状のものならOKです。
下の写真のような、ものが使用できます。
(ロッテ BLACK BLACK タブレット、グリコ フレンドチョコ) 

筒状のお菓子ケースの底にハンダこてなどで穴を開け
ミノムシクリップ付きのリード線(30~50cm程度)を通します。

モーターから出ているリード線と⑥のリード線をハンダ付けして
ハンダ箇所はビニールテープで絶縁しておきます。

ギアボックスを筒状のお菓子ケースに差し込んで接着剤で固定します。


充電用の回路を組み立てます。

回路図は下の図の通りです。



幅47mmのユニバーサル基板を長さ30mm程度に切り
ドリル刃3mmを使って4隅に穴を開けます。

 上の回路図のように回路を組み立てます。


入力用の端子は、抵抗やダイオードなどの切断した足を使用し
+、- と書いておくと、充電するときにわかりやすいです。
自動車を作ります。


プーリーは直径3.8cmの厚紙2枚に、直径3.5cmのダンボールを挟んで作ります。
中心を竹串に刺して


木工用ボンドでしっかり固めます。
(隙間に輪ゴムが入らないように)


モーターはソーラーモーター 03(TAMIYA ソーラー工作シリーズ No.11)を使用します。
(0.5V程度の低い電圧でも作動するので、コンデンサ電圧が下がってもかなり回り続けます。)

ピニオンギアが付属されているので
輪ゴム外れ防止用に、モーター軸に取り付けておきます。
モーターを固定するために
3.5cm角のダンボールに直径2.5cmの穴を開けたもの3枚を貼り合わせます。


車体は厚紙を切って、穴を開けます。


⑩の基板の4隅の穴にM3×10mmのネジを入れて、ナットで固定します。
⑭のモーターをモーター用穴に入れて接着材で固定し
配線用の穴からリード線を出して、⑩の基板に接続します。
接続箇所は回路図を参照。


基板の4つのネジを基板用の穴に入れて、裏からナットで固定します。

 ⑱
車体ののりしろ部分を貼り付け、
車輪用の穴に4mmφのストローを通して、
1~2mm程度厚紙から出たところで切断します。


タイヤは多目的EVAクッション(直径4cm×厚さ1cm)の中心に
目打ちなどで穴を開けて使用します。


プーリーとタイヤをセットして、
プーリーとモーター軸に輪ゴムをかけます。
これで完成 !!


<やり方>

基板プラス側に手回し発電機の赤のリード線、
マイナス側に黒のリード線を接続します。



手回し発電機を回すと、赤のLEDが点灯するとともに充電し始めます。


電気二重層コンデンサの端子電圧が2.4~2.5Vを超えると青色LEDが点灯し始めます。
(素早く回した場合 約3分、通常 約5分程度 かかります。)


ミノムシクリップを取り外し、スイッチをオンにすると走り始めます。
(約2分程度 走行します。)

下のビデオは充電時のコンデンサの電圧を測定しています。
電圧が2.4~2.5Vで青色LEDが点灯し始めます。


単三乾電池3本を直列(4.5V)をつないでも充電できます。


<耐圧対策について自由研究>
今回作成した手回し発電機を回した場合、回す速度によって電圧は変化しますが、
普通程度の速度で回した場合、発生電圧の最大は約4.5Vです。
(速く回すほど電圧は上昇します。)
 

入力電圧4.5Vに対し、電気二重層コンデンサの耐圧は3Vなので対策が必要、
また赤色LEDに対しても耐圧対策が必要となります。

計算方法の詳細はこちらを参照
http://www.gxk.jp/elec/musen/1ama/H13/html/H1312A17_.html






これ以外の実験や工作も掲載していますので、
こちらも見てみて下さい。




4 件のコメント:

  1. 叱られるかもしれませんがモーターとコンデンサーと2極双投のスイッチだけで車を走らせました。
    3V乾電池充電5分でしたがブットンで行きました。
    5Fのコンデンサーとモーターの相性がいいのですが他の小型モーターでも試してみます。
    充電時間を含めたレースができ子供たちが喜びそうです。MH

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    1. 平野様

      叱るなんてとんでもない!! やってみて下さってすごく嬉しいです。
      この実験で一番難しい点は、自動車を真っすぐに走らせることだと思っています。ちょっとズレると最終的には大きく曲がってしまいますよね?
      「充電カーレース」いいですね。子供さん達も大喜びしそうですね。

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  2. はじめまして、山田と申します。
    この作品を作りたいと思っています。
    この作品の基盤のコンデンサなどをつけた面(表側)は、写真がUPされているのでわかるのですが
    半田付けした面(裏側)がわかりません。
    半田付けの参考にしたいので見させていただきたいのですが可能でしょうか?
    よろしくお願いします。


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    1. 山田様、はじめまして。
      残念ながら半田付けした面(裏側)の写真は撮影しておりません。
      ⑩の写真の上の方に回路図を載せているので、そちらを参考にしてみて頂けないでしょうか?

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